Caracterización de aleaciones de silicio para su empleo en el almacenamiento energético

El ajuste de la producción de energía eléctrica al ritmo al cual se consume es uno de los principales retos que se plantea hoy día. El consumo eléctrico experimenta diferentes picos a lo largo no solo de un día, sino también del año, así por ejemplo podemos encontrar picos de consumo en verano a raíz de aparatos como los de aire acondicionado, o durante el día, picos de consumo entre las últimas horas de la tarde. El producir lo que se consume en un determinado momento es algo complicado dadas las características de los medios de producción, así por ejemplo, la energía eólica está condicionada por la variación de la velocidad del viento, que no es la misma de un día para otro, las células fotovoltaicas están sujetas a las horas de sol, y la energía hidráulica depende de si es posible o no efectuar la apertura de compuertas de un embalse dados sus niveles de agua. La mejor manera de proporcionar la energía necesaria en el momento idóneo es a través de los sistemas de almacenamiento de energía. Estos sistemas nos permiten retener en cierto sentido la energía eléctrica para poder ser liberada cuando sea necesario. Un modo de almacenar la energía eléctrica es transformarla en otro tipo de energía, por ejemplo en energía térmica. La conversión de una forma a otra de energía es sencilla, pues por ejemplo, el efecto Joule implica que parte de la corriente que circula por un circuito se disipa en forma de calor debido a la resistividad ofrecida por el medio. La transformación de energía térmica a energía eléctrica se puede basar en el empleo de elementos semiconductores y en fenómenos como el efecto fotoeléctrico. A través de los dispositivos adecuados es posible captar la energía de la radiación térmica y transformarla en energía eléctrica. El problema que se plantea entonces es el cómo almacenar esa energía térmica. Cuando un material, compuesto o substancia se calienta, varía su energía interna. Este efecto está asociado a la capacidad calorífica del mismo, es decir, la energía necesaria para hacer variar su temperatura. Del mismo modo que cuando se calienta absorbe energía, cuando se enfría esta energía se libera y puede ser aprovechable. Sin embargo la variación de la energía asociada a estos procesos de calentamiento y de enfriamiento no es muy notoria, y además implicaría el hecho de estar trabajando en un intervalo de temperaturas muy amplio. Aunque la propiedad de la capacidad calorífica de los compuestos no sea aprovechable, existe otra propiedad térmica que podría ser de gran utilidad. Esta es el calor latente de fusión, es decir, la energía liberada en el proceso de cambio de fase de líquido a sólido. La ventaja que presenta el basarse en el cambio de fase es que la energía liberada es mucho mayor que la asociada a la capacidad calorífica y que además para el caso de sustancias puras o de determinadas aleaciones y compuestos, el cambio de fase se produce a una temperatura constante. Los materiales cuyo valor de calor latente es aprovechado tanto para liberar energía térmica o para que esta pueda ser convertida en eléctrica reciben el nombre de PCM (Phase Change Material). La mayoría de estos tipos de materiales suelen ser sales de elementos alcalinos y alcalino-térreos, pero también existen algunas aleaciones metálicas. Dentro de los elementos de la tabla periódica, el silicio destaca por su alto valor de calor latente de fusión que alcanza los 1,8 MJ/Kg. Además su punto de fusión es elevado, de 1410 ºC lo que de cara a intensidad de radiación térmica emitida juega un papel importante al aumentar los rendimientos de generación de energía eléctrica. Estas características físicas unidas al hecho de que es el segundo elemento más abundante en la corteza terrestre por detrás del oxígeno y que por tanto su precio es reducido, le convierten en un material idóneo para ser empleado como PCM. Además la parte de la energía no aprovechable (que no se transforma en energía eléctrica) puede ser emplead para calentar fluidos o sistemas de calefacción. Pese a las buenas características del silicio como PCM, presenta sin embargo una serie de problemas que dificultan su uso. El principal problema es el comportamiento anómalo durante la solidificación, pues a diferencia de la mayoría presenta una conducta similar al agua es decir, sufre una expansión volumétrica en el cambio de fase de líquido a sólido. Este hecho supone un problema grave en el sentido de que la expansión estará impedida por el recipiente o crisol en el cual se encuentra contenido y esto generará una serie de tensiones que pueden poner en peligro la integridad del crisol, más aún cuando el sistema debe operar de forma cíclica, lo cual puede dar lugar a fenómenos de fatiga que conduzcan al colapso del crisol con los repetidos ciclos de fusión y solidificación. La solución para poder evitar este fenómeno es combinar el silicio con otro elemento para que la formación de una segunda fase que se contraiga permita contrarrestar la expansión. No obstante el hecho de crear una aleación provoca a su vez otra serie de problemas como es el hecho de la pérdida de propiedades térmicas por la presencia de otro elemento cuyo calor latente de fusión es bastante más reducido, la aparición de zonas donde es posible encontrar líquido y sólido en equilibrio o la caída del punto de fusión. Por tanto es necesario establecer una búsqueda de una aleación que permita reducir los problemas asociados a la expansión volumétrica pero que a su vez afecte lo menos posible a las propiedades térmicas que se buscan en un PCM. Antes de realizar pruebas experimentales en una fundición combinando los elementos de aleación con el silicio se construirán una serie de modelos matemáticos en base a los datos proporcionados por las diferentes bibliografías, los software de cálculos termodinámicos existentes y estudios previos llevados a cabo por los diferentes autores que son validados a partir de datos obtenidos en experiencias anteriores. Con esto se determinarán una serie de funciones en entornos de programas informáticos de cálculo que arrojarán una serie de gráficas y de resultados que permitirán establecer una serie de conclusiones. Para construir estos modelos es necesario tener conocimiento del comportamiento que experimenta una aleación en un proceso de solidificación y las diferentes reacciones que tienen lugar durante el proceso. La forma que tiene cada diagrama es de gran importancia ya que condiciona todos los fenómenos que puedan tener lugar, así es necesario tener puntos de referencia y valores de composiciones de las fases, amplitud de los campos bifásicos o temperaturas de reacción y de fusión. La teoría referente a los diagramas de equilibrio de fases será la empleada para caracterizar todos los fenómenos que sucedan, las fases que participan en cada reacción, las cantidades de cada una que intervienen y las consecuencias que acarrea cada proceso. No solo se construirán modelos matemáticos nuevos, sino que se utilizarán algunos ya existentes y validados que serán de gran utilidad a la hora de caracterizar las aleaciones. Estos modelos proporcionarán una serie de datos de los cuales se pueden extraer conclusiones para establecer puntos de partida que sirvan en posibles experimentaciones en un futuro. Además podrán servir de referencia para avances y mejoras de los modelos propuestos con objeto de aumentar la precisión y fiabilidad de los resultados obtenidos